激光陀螺捷联系统高精度加速度计非线性模型参数标定

为克服激光陀螺捷联系统内减振变形引入的加速度计测量误差,建立以陀螺敏感轴为约束的IMU机体坐标系。针对零偏稳定性优于5×10?6g的高精度加速度计非线性项误差不可忽视的特点,提出加速度计非线性测量模型。基于角位置精度为5″的三轴转台,采取最小二乘分步辨识的思想,借助线性化方法,首先正交多位置转台转动辨识出加速度计的二次项系数,再倾斜转台多位置辨识出加速度计的交叉耦合项系数。实验结果表明,转台正交位置时,基于非线性模型的加速度计重力值测量误差的标准差减小至线性模型的9.38%,且3次实验得出的由模型二次项系数引入的测量误差的最大标准差为8.53×10?7g;转台倾斜位置时,基于非线性模型的加速度计重力值测量误差的标准差减小至线性模型的31.41%,且3次实验得出的由模型交叉耦合项系数引入的测量误差的最大标准差为1.14×10?6g,从而实现高精度加速度计的精确标定。     

加速度计误差系数对拟合残差的影响及试验分析

为了提高加速度计的测试精度,针对加速度计在重力场的试验,分析了加速度计误差模型中误差系数对辨识拟合残差的影响.通过石英挠性加速度计的三十六位置翻滚试验,利用最小二乘参数估计后,根据残差曲线的规律性形状确定了加速度计误差模型中存在零偏不对称项和标度因数不对称项,从而进一步完善误差模型.试验结果表明,被测加速度计的零偏不对称项和标度因数不对称项对辨识结果影响很大,加入到误差模型中拟合残差标准差从原来的1.1×10-5g提高到 7×10-6g左右,精度明显得到改善.     

两位置法快速测定近钻头惯性测量模块的温漂模型

近钻头惯性测量模块(Near-bit Inertial Measurement,NIM)用于石油钻井中实时测量导向外套的姿态角,是导向钻进闭环控制中的重要组成部分。它采用三轴加速度计组合测量重力加速度实现姿态角测量。为了提高加速度计在工作温度范围内的测量精度,需对其进行温漂模型标定。针对三轴加速度计组合的传统12位置翻滚温度模型测定方法存在耗时长、操作效率低的局限性,提出一种新的加速度计三轴组合温度模型标定方法——两位置法,并通过实验验证了温度补偿的效果。在10℃~150℃的温度范围内,补偿后加速度的测量精度达5×10~(-4)g,完全满足NIM测量姿态角的要求。     

一种双惯导组合导航方法

一些舰艇装备两套或多套惯性导航系统。为提高这些舰艇导航信息输出的精度和稳定性,提出一种双惯导组合导航方法。从惯性导航系统的误差特性出发,分析了固定指北惯性导航系统和台体方位旋转惯导系统的误差特性,并根据两种惯导系统的不同误差特性,设计了Kalman滤波组合导航控制方案,通过仿真验证了组合导航控制方案的效果。仿真结果表明,采用该方法后,在不增加任何硬件成本的基础上,能够提高导航信息输出精度和稳定性。例如,当陀螺漂移为0.002(°)/h,加速度计零偏5×10-5 g时,固定指北惯导24 h定位误差约为2.8 n mile,速度误差波动约0.2 kn,台体方位旋转惯导系统24 h定位精度约为1.7 n mile,速度误差波动约0.5 kn;当采用组合导航控制时,组合输出24 h定位精度约1.5 n mile,速度误差波动约0.15 kn。     

一种石英挠性加速度计非线性误差系统级标定方法

为提高大过载高动态环境下捷联惯导系统导航精度，需对捷联惯导系统中的石英挠性加速度计非线性误差参数进行精确标定。针对现有标定方法在加速度计非线性误差参数发生变化时无法满足免拆卸高精度标定的问题，设计了一种基于双轴精密离心机和捷联惯导系统转位机构交替旋转、依靠转位机构实现9位置标定路径的系统级标定方法。经理论分析和仿真验证，所提方法可实现加速度计二次项、交叉耦合项共九个非线性误差参数系统级高精度标定，二次项误差参数标定精度优于1.0×10^-6 g/g²，交叉耦合项误差参数标定精度优于1.5×10^-6 g/g²。     

转台角位置基准误差对激光捷联惯导标定的影响分析

研究了利用三轴转台标定时,转台角位置基准误差对激光捷联惯导系统标定精度的影响.从理论上推导了转台角位置基准误差与激光捷联惯导系统标定结果之间的数学关系,得到以下结论:北向以及水平基准误差对陀螺仪零偏与标度因数的标定影响较小,对陀螺安装误差系数的标定影响较大,当误差角为1°时,标定误差将达到0.33×10-3 (′/s)/P;北向基准误差对加速度计标定结果的影响很小,而水平基准误差对加速度计的标定影响较大.仿真与标定实验均验证了理论分析的正确性,因此标定实验前转台的调平、对北工作是必不可少的.     

陀螺加速度计线振动台进动整周测试方法

为了提高陀螺加速度计在线振动条件下的标定精度,提出了陀螺加速度计在线振动台上的进动整周期的测试方法。该方法将陀螺加速度计正倒置安装后,在静态和线振动状态下分别测量陀螺加速度计进动整周期中的相关时间数据,计算出陀螺加速度计进动整周期的平均角速率,通过平均角速率与陀螺加速度计模型输出间的积分关系,推导出了陀螺加速度计在线振动台上的标定误差模型,辨识出了加速度计的零偏、标度因子、二次项系数和三次项系数。该方法抑制了陀螺加速度计输出的平均角速率误差,能够提高陀螺加速度计在线振动台上测试的精度。最后进行了算法验证,验证了该方法能够准确的辨识出加速度计的各项误差模型系数,辨识精度达到10?7,提高了陀螺加速度计在线振动台上的标定精度。     

正交双加速度计两种安装位置在重力场中的标定方法

为了提高加速度计在1g重力场中的标定精度,分度头的角位置误差应非常小或将它有效地分离。提出了一种将正交双加速度计在分度头上,进行两种安装位置组合测试的方法。推导了加速度计误差模型系数的标定误差与分度头角位置误差成分的关系,设计了两种安装位置组合测试方法,从加速度计的输出中可分离分度头的角位置误差,提高加速度计误差模型系数的辨识精度,对试验数据进行误差分析后验证了该方法的正确性。     

翘翘板摆式MEMS加速度计振动整流误差

MEMS加速度计凭借其体积小、成本低、可靠性高及可批量生产等优势,已经在战术级精度的武器领域得到了广泛应用。但是,在振动环境下的输出误差(振动整流误差)成为其向导航级精度发展的主要指标瓶颈。为了减小MEMS加速度计的振动整流误差,对传感器芯片结构不对称性和电路零位误差引起的力矩器结构非线性进行了理论分析,然后按照振动法测非线性的方式对上述误差源引起的系统级误差模型进行了仿真试验验证,确定了各误差源与加速度计非线性系数间的影响关系。最后,对主要误差源(电路零位)优化前后的MEMS加速度计振动整流误差和非线性系数进行了测试对比,结果表明:优化后,在50~1500 Hz频率范围内MEMS加速度计二阶非线性的最大值可由1E-4g/g~2降至5E-6g/g~2。     

星光折射辅助惯性/天文紧组合高精度导航方法

为了解决传统惯性/天文(SINS/CNS)组合导航无法在线精确估计加速度计零偏而导致SINS导航误差发散的难题,提出了一种动力学模型约束改进的捷联惯性星光折射组合导航方法。直接利用星敏感器观测的原始恒星像点坐标信息与约束改进的SINS导航动力学方程构建SINS/CNS紧组合模型,通过推导加速度计虚拟观测方程和适用于空天跨域飞行器导航的星光折射测量方程,采用扩展卡尔曼滤波方法,实现了对加速度计零偏和陀螺零偏在线估计。典型弹道仿真结果表明,在不增添额外传感器的条件下,相对于传统的基于姿态测量SINS/CNS组合,所提方法导航定位、定速和定姿精度分别提升了97.84%、98.61%和78.70%;相对于传统的基于星光折射SINS/CNS组合,定位、定速和定姿精度分别提升了28.09%、67.72%和79.10%。所提方法有效克服了传统方法精度恶化问题,显著提升了传统SINS/CNS组合导航精度。     

重力扰动矢量对惯导系统影响误差项指标分析

针对制约现有惯导系统精度提升的重力扰动矢量误差项问题,从惯导系统误差模型入手,着重分析了重力扰动矢量水平分量(垂线偏差)在导航系统中的误差传播特性,利用简化的垂线偏差统计模型推导出导航系统位置误差均方差表达式;通过现有全球重力场高阶球谐模型(EGM2008),分析了垂线偏差全球均方差水平引起的惯导系统在典型载体运行速度下位置误差项大小,进而给出了垂线偏差补偿的误差项指标,在此基础上,分析了EGM2008在惯导系统中的适用性,结果表明,当EGM2008模型阶数小于12阶时才能满足导航系统计算资源要求,模型补偿精度为5.86?,适用于位置误差要求小于0.8 nm/h的惯导系统。     

激光陀螺捷联惯导系统尺寸效应参数标定与优化补偿

提出一种捷联惯导系统尺寸效应标定补偿方法,先标定出捷联惯导系统中每个加速度计相对于三轴转台回转中心的杆臂参数,再基于尺寸效应误差最小原则,对载体坐标系原点位置进行优化,得出相应的尺寸效应参数。对于零偏稳定性优于2×10^-5g的加速度计,杆臂参数与尺寸效应参数标定重复性优于0.2mm。将载体坐标系原点置于三轴转台回转中心,以重力加速度g为基准验证标定补偿效果,转台匀速转动情况下,补偿后10min平均偏差小于2×10^-6g。根据激光陀螺角增量采样值求出角速度和角加速度,对惯导实验中的尺寸效应进行补偿,在转台角运动条件下纯惯性导航1h定位误差由尺寸效应补偿前的1600m减小到补偿后的300m以内。     

惯性/重力匹配组合导航系统与可视化仿真

根据惯性/重力匹配组合导航系统的工作原理和特点,提出了基于 RANSA 思想的重力图匹配方法,采用此方法实现了重力图的鲁棒匹配。通过建立组合导航系统的数学模型,采用最优滤波技术实现了组合导航系统的信息融合。在此基础上,采用多种高级语言混合编程,设计实现了一套可视化的仿真软件,对该系统进行了可视化仿真研究。仿真实验结果表明,惯性/重力匹配组合系统相对于无辅助的惯性导航系统,其定位精度、速度精度均有较大的提高,也就是说采用重力匹配方法达到了校正惯导系统,实现高精度导航的目的。     

采用静电陀螺监控器／惯性导航系统的水下组合导航系统研究

本文推导了静电陀螺监控器（ＥＳＧＭ）系统的运动方程和机械编排，并进行了模拟仿真，给出了仿真误差曲线。同时，还建立了以半解析式惯性导航系统误差为状态变量的系统状态方程，采用卡尔曼滤波技术，对ＥＳＧＭ／ＩＮＳ组合系统进行仿真。结果表明，组合系统可以大大延长惯导的重调周期，提高潜水下航行的保密性，ＥＳＧＭ／ＩＮＳ组合使用是保证潜艇长时间水下航行的有效方法。     

INS/Doppler组合导航中安装偏角的在线估计

INS和Doppler在载机上安装时存在安装偏角,会对组合导航精度产生影响.为此,提出了一种新的INS/Doppler组合导航算法,将标度因数和安装偏角作为状态变量进行估计.在分析Doppler输出误差模型的基础上,详细推导了组合导航算法模型,并进行了仿真.仿真结果表明,在载机正常飞行并适当机动的情况下,该组合导航算法能够准确对标度因数和安装偏角进行估计,标度因数的估计精度为0.4‰,安装偏角的估计精度为0.1′-0.3′,从而提高了导航精度.     

速率方位惯性平台/GPS/计程仪组合导航系统仿真研究

根据科学发展和高精度导航的要求，提出了一个由GPS接收机、速率方位惯性平台和重力敏感器构成的精确重力测量组合导航系统，给出了该组合系统在速率方位地平坐标系下的误差方程和Kalman滤波方法以及计算机仿真结果。数字仿真表明：由中等精度的陀螺仪和加速度计以及GPS组成的组合导航系统平台水平误差角小，定位精度高，能够满足重力测量和导航要求。     

低成本IMU的多位置旋转现场标定方法

针对低成本IMU的系统误差难以现场快速标定问题,提出了一种无需任何外部设备辅助的多位置旋转现场标定方法。该方法通过比力加速度与重力建立加速度计的误差模型,基于动态旋转以及标定后的加速度建立导航方程实现陀螺仪误差建模,使用改进的LM算法,实现低成本IMU误差参数的快速标定。实验结果表明:该方法可以有效地标定出加速度计和陀螺仪的安装误差、缩放因子和零偏误差,极大地简化了标定的过程,标定补偿后的IMU原始数据质量大幅提高,在100 s的静态导航试验中,x、y、z的定位精度分别从2541.547m、895.191m、7267.507m提升至80.229m、41.430m、99.832m。     

融合伪距和载波相位的DGPS/惯性组合导航

本文利用卡尔曼滤波方法对码伪距测量和载波相位测量进行了最优融合，并得到了融合后的伪距测量误差标准差曲线，用融合后的伪距作为观测量和惯导系统进行组合，可以有效地提高导航精度，避免整周模糊度的确定。本文研究了这种组合导航系统，进行了仿真试验，仿真结果表明该组合系统的精度得到了很大的提高，定位精度在1m以内，是一种高精度的导航系统。     

一种多源试验条件下惯导误差系数融合的新方法

为充分利用各种系统级试验信息提高惯导系统误差模型准确性,提出一种多源试验条件下惯导误差系数融合的新方法.根据各试验中误差系数对总误差的贡献比重来确定误差模型中可分离的误差系数.然后将各试验中分离出的误差系数分为独立系数和公共系数分别进行融合.其中,独立系数作为信任值保留,公共系数的加权融合采用以估计方差阵的迹作为代价函数的随机搜索算法来确定其融合权重.利用某型惯导系统车载、机载和火箭橇试验信息进行融合的结果表明,该方法效果较好,可行性强.     

基于比力差分测量的加速度计温度误差补偿方法

针对温度变化引起的惯导系统中石英挠性加速度计测量误差,提出了一种基于比力差分测量的加速度计温度误差补偿方法。首先,建立包含温变速率影响的温度误差模型,利用标定惯导系统加速度计参数时的温度作为标定参数温度基准。其次,借助不带转台的温箱对惯导系统进行全温测试,通过同一方位前后时间段加速度计输出的差分消除未知的比力真值,只保留由于温度改变引起的标度因数与零偏变化,通过多位置观测对这两项参数进行最小二乘拟合估计,获得对应温度系数。该方法不需要温箱具备高精度定位基准,能够实现全温范围与快速变温工作条件下温度误差的精确建模。试验结果表明,应用该补偿方法可使加速度计测量精度在全温范围内保持在10μg量级。